中国大陆科学钻探工程的历程

  中国大陆科学钻探工程是国家重大科学工程之一，是目前国际上正在实施的最深的科学钻井，受到国内外地学界的高度关注。中国大陆科学钻探工程的孔址位于苏鲁超高压变质带南部的东海县，其穿过的岩石是曾位于板块会聚边界的地幔深处，是研究大陆深俯冲及地幔动力学的最佳选址。中国大陆科学钻探的科学目标旨在通过对钻孔中获取的全部连续岩心、液态和气态样品及原位测井数据进行的全方位测量与综合研究，建立5km孔深的各类多学科精细剖面，再造北中国板块与扬子板块会聚边界深部三维物质的组成和分布及三维结构构造；阐明板块会聚边缘的深部流体作用、壳一幔相互作用及地幔中物质循环和流变学；寻找超深地幔条件下形成的特征矿物，揭示超高压变质成矿机理：
 
  建立结晶岩地区地球物理理论模型和解释标尺；揭示超高压变质岩石的形成与折返模型及板块会聚边界的深部动力学机制。通过5 km深孔营造的特殊地下空间，研究现代地壳的物理、化学及生物作用，并将建立亚洲第一个大陆科学钻探深孔长期观察实验站。中国大陆科学钻探工程运用先进的钻探和测井技术，首次在高难度的硬岩中钻进3 636 m深度，钻井斜度平均5度左右，取心率80%以上。通过初步研究，已建立了中国大陆钻探工程主孔3 000 m的构造学、岩石学、地球化学、岩石物理、矿化、地球物理VSP、测井及微生物剖面，并进行了岩心的深度和方位准确归位。初步揭示了超高压变质带三维物质组成、结构及研究了大陆深俯冲的动力学机制，发现了来自地下深部的特殊气体异常和地下极端条件下的微生物，扩大了金红石矿床的规模，取得了重要的理论与应用性研究成果。
 
  (1)揭示主孔2 000 m榴辉岩的厚度超过1 000 m，在原定的金红石矿体下又发现了400 m厚的达工业品位的新的金红石矿体，主孔和卫星孔岩心中揭示地幔岩厚620 m。
 
  (2)揭示了主孔2 000 m深度的各类岩石中均含有超高压矿物柯石英，在主孔附近的榴辉岩薄片中发现金刚石，结合区域大面积范围内普遍发现柯石英，证明了巨量物质深俯冲的重要论点。通过SHRIMP测年在同一锆石不同微区中准确确定超高压峰期240～ 220 Ma及退变质事件220-200 Ma的年龄。
 
  (3)在片麻岩和退变榴辉岩中发现与柯石英共存于同一变质增生锆石微区中的C02气-H20液两相流体包裹体，提供了超高压峰期变质阶段处于“湿体系”环境的有利证据。
 
  (4)以钻孔附近榴辉岩为实验材料，通过高温高压的实验和研究，发现榴辉岩结构水析出引起不稳定性和致裂作用，是一种新的断裂机制，它成功地解释了俯冲过程中发生的高温地震成因，同时也为地幔转换带的深源地震机制提供了新的启示。本文已在《自然》Nature杂志上（2004年，428卷）刊登。
 
  (5)氧同位素研究表明，巨量超高压变质岩具有异常低的氧同位素值，平面面积达5 000 mz，深度达1 600 m，表明超高压变质岩的原岩在近地表与大气降水发生交换，花岗岩体的侵人为其提供热源，为晚元古代全球性雪球事件提供重要证据。
 
  (6)在卫星孔CCSD-PP1东海芝麻坊地幔岩的单斜辉石包体中发现钛斜硅镁石和钛粒硅镁石出溶体；在石榴石中发现罕见的超高压IOA矿物相；橄榄石优选方位的EBSD组构与阿尔卑斯阿拉米地幔岩相同，说明备受国内外地学界关注的芝麻坊地幔岩可能经过了超高压变质作用，俯冲深度可能超过250 km。
 
  (7)划分了构造岩片单元，确定了其边界的韧性剪切带性质，并发现早期超高压变质岩石的流变学信息。
 
  (8)建立的随岩性变化的弹性波速度和热导率连续剖面，对地震反射和热结构提供了岩石物性的制约；建立了钻孔的VSP地震剖面。通过钻孔验证了孔区深部为向南东缓倾的构造岩片结构，以及强地震反射层和大型韧性剪切带有关。地震反射资料还揭示地幔中层状结构，地震层析资料揭示了郯庐断裂和响水断裂均为超岩石圈大于250 km断裂。
 
  (9)从400多m深度开始，发现了甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烃类气体、氦气、二氧化碳、一氧化碳气体及氮气氩气的异常，建立了地下流体系列异常剖面，发现气体异常随深度越来越频繁出现，并且与裂隙有关。初步研究表明，一部分地下流体的来源可能是多样的，有一部分可能来自深部地幔。
 
  (10)中美合作开展对2 000 m岩心的地下微生物研究，通过及时对岩心的低温冷储及DNA分析，首次在476m深度的榴辉岩中发现太古菌及细菌，继后又对6个不同的深度、4种不同岩性的固体样品及流体样品进行DNA分析，发现了大量极端条件下形成的微生物：有嗜酸菌、嗜铁菌、嘈甲烷菌等，并完成了嗜热微生物的分离培养及鉴定的试验性工作。设计了一系列培养基，已经分离得到两株高温菌株。另外，在卫星孔CCSD-PP1地幔岩中发现古菌，为地下生物圈及生命起源的研究提供了重要信息。